Termoelektriset generaattorit: Periaatteet materiaalit ja sovellukset

Termoelektrinen generaattori (TEG) on laite, joka muuttaa lämpöenergian sähköenergiaksi käyttäen Seebeckin ilmiötä. Seebeckin ilmiö tarkoittaa sähköisen potentiaalieron syntymistä, kun kahdella eri johtimateriaalilla tai johtimateriaalien silmukassa on olemassa lämpötilaeronta. TEG:t ovat kiinteän aineen laitteita, joissa ei ole liikkuvia osia, ja ne voivat toimia hiljaisesti ja luotettavasti pitkään aikaan. TEG:itä voidaan käyttää eri lähteistä, kuten teollisista prosesseista, autoista, voimaloista ja jopa ihmisen kehon lämmöstä, syntyvän turhatehden keräämiseen ja muuntamiseen hyödylliseksi sähköksi. TEG:itä voidaan myös käyttää etälaitteiden, kuten anturien, langattomien lähetysten ja avaruusalusten, voittamiseen käyttämällä radioisotooppia tai aurinkolämpöä lämpölähdeksi.

Miten termoelektrinen generaattori toimii?

Termoelektrinen generaattori koostuu kahdesta pääkomponentista: termoelektrisistä materiaaleista ja termoelektrisistä moduleista.

Termoelektriset materiaalit ovat materiaaleja, jotka näyttävät Seebeckin ilmiötä, eli ne tuottavat sähköisen jännitteen, kun niissä on olemassa lämpötilaeron. Termoelektriset materiaalit voidaan luokitella kahteen ryhmään: n-tyyppisiin ja p-tyyppisiin. N-tyypissä on yliampujia elektronit, kun taas p-tyypissä on elektronipula. Kun n-tyyppinen materiaali ja p-tyyppinen materiaali yhdistetään sarjassa metallijohdinten avulla, ne muodostavat termoparin, joka on termoelektrisen generaattorin perusyksikkö.

Termoelektrinen moduuli on laite, jossa on useita termopareja, jotka on yhdistetty sähköisesti sarjassa ja lämpöllisesti rinnan. Termoelektrinen moduuli on kaksipuolinen: kuumalla puolella ja kylmällä puolella. Kun kuumalla puolella on lämpölähde ja kylmällä puolella lämpövirtaus, moduulin yli syntyy lämpötilaero, mikä aiheuttaa virtauksen kulkea piirin läpi. Virtaa voidaan käyttää ulkoisen kuormituksen voittamiseen tai akun lataamiseen. Termoelektrisen moduulin jännite ja tehovirta riippuvat termopareiden määrästä, lämpötilaerosta, Seebeckin kertoimesta sekä materiaalien sähköisestä ja lämpöllisestä vastusta.

Termoelektrisen generaattorin tehokkuus määritellään sähköisen tehovirtauksen suhteena lämpölähdeenergiaan. Termoelektrisen generaattorin tehokkuus on rajoitettu Carnotin tehokkuudella, joka on mahdollisimman korkeaa tehokkuutta mille tahansa lämpömoottorille, joka toimii kahden lämpötilan välillä. Carnotin tehokkuus annetaan seuraavasti:

ηCarnot=1−ThTc

missä Tc on kylmän puolen lämpötila, ja Th on kuumakulman lämpötila.

Termoelektrisen generaattorin todellinen tehokkuus on paljon alhaisempi kuin Carnotin tehokkuus monien häviöiden, kuten Joulen lämmityksen, lämpöjohtavuuden ja lämpöradiaation vuoksi. Termoelektrisen generaattorin todellinen tehokkuus riippuu termoelektristen materiaalien arvokertoimesta (ZT), joka on ulottuvuusetön parametri, joka mitataa materiaalin soveltuvuutta termoelektrisiin sovelluksiin. Arvokerroin annetaan seuraavasti:

ZT=κα2σT

missä α on Seebeckin kerroin, σ on sähköinen johtavuus, κ on lämpöjohtavuus ja T on absoluuttinen lämpötila.

Mitä korkeampi arvokerroin, sitä korkeampi termoelektrisen generaattorin tehokkuus. Arvokerroin riippuu molemmista intrinsiiksestä ominaisuudesta (kuten elektronien ja fononien kuljetuksesta) että extrinsiiksestä ominaisuudesta (kuten doppingitasosta ja geometriasta) materiaaleissa. Termoelektristen materiaalien tutkimuksen tavoitteena on löytää tai suunnitella materiaaleja, joilla on korkea Seebeckin kerroin, korkea sähköinen johtavuus ja matala lämpöjohtavuus, jotka ovat usein ristiriidassa toistensa kanssa.

Mitä ovat yleisiä termoelektrisiä materiaaleja?

Termoelektrisiä materiaaleja voidaan luokitella kolmeen kategoriaan: metalleihin, puolijohtimiin ja kompleksiyhdisteisiin.

Metallit ovat korkeasti sähköisesti johtavia, mutta niillä on matala Seebeckin kerroin ja korkea lämpöjohtavuus, mikä johtaa matalaan arvokerroin. Metallit käytetään pääasiassa elektroodeina tai yhdistimina termoelektrisissä moduleissa.

Puolijohteilla on keskivertoinen sähköinen johtavuus ja Seebeckin kerroin, mutta korkea lämpöjohtavuus, mikä johtaa keskivertaiseen arvokerroin. Puolijohteja voidaan doppata luodakseen n-tyyppisiä tai p-tyyppisiä materiaaleja eri kuljettajamiitoilla ja mobiilisuudella. Puolijohteita käytetään laajasti termoelektrisissä materiaaleissa matalan lämpötilan sovelluksissa (alle 200°C).

Kompleksiyhdisteillä on matala sähköinen johtavuus, mutta korkea Seebeckin kerroin ja matala lämpöjohtavuus, mikä johtaa korkeaan arvokerroin. Kompleksiyhdisteet koostuvat yleensä useista eri elementeistä, jotka luovat monimutkaisia ​​elektronisia bändirakenteita ja fononien sirpaleiden mekanismeja, jotka parantavat termoelektristä suorituskykyä. Kompleksiyhdisteitä käytetään laajasti termoelektrisissä materiaaleissa korkean lämpötilan sovelluksissa (yli 200°C).

Joitakin yleisiä termoelektrisiä materiaaleja ovat:

• Bismuksitielturi (Bi2Te3) ja sen allometrit: Nämä ovat yleisimmin käytettyjä termoelektrisiä materiaaleja matalan lämpötilan sovelluksiin (alle 200°C), kuten jäädytyslaitteisiin ja turhatehden voittamiseen. Bi2Te3:lla on kerrosrakenne, joka koostuu vaihtuvista quintuple-kerroksista Bi2 ja Te3 atomeista, jotka sidotaan heikolla van der Waalsin voimalla. Tämä rakenne johtaa matalaan lämpöjohtavuuteen fononien sirpaleessa kerrosten rajoilla. Bi2Te3:ä voidaan allottaa muiden elementtien, kuten antimonin (Sb), selenin (Se) tai rikki (S) kanssa, optimoidakseen sen sähköiset ominaisuudet ja arvokerroin.

• Plossielturi (PbTe) ja sen allometrit: Nämä ovat yleisimpiä termoelektrisiä materiaaleja keskilämpötilan sovelluksiin (200-600°C), kuten auton purkugaskulutuksen tai teollisen turhatehden voittamiseen. PbTella on rock-salt-rakenne, joka koostuu vaihtuvista Pb2+ ja Te2- ionikerroksista, jotka sidotaan vahvoilla ionisilla voimilla. Tämä rakenne johtaa korkeaan Seebeckin kertoimeen, koska raskaat Pb-atomit luovat suuren bandidegeneraation Fermi-tason lähellä. PbTe:ä voidaan allottaa muiden elementtien, kuten tinan (Sn), thalliumin (Tl) tai natriumin (Na) kanssa, parantaakseen sen arvokerrointa.

• Skutterudit: Nämä ovat kompleksiyhdisteitä, joiden yleinen kaava on MX3, missä M on transitiometalli (kuten kobolti, Co) ja X on pniktogeeni (kuten antimon, Sb).

           
   

• Skutteruditillä on kuutiomainen rakenne, joka koostuu kolmiulotteisesta verkostosta M4X12-yksiköitä, joissa on suuria tyhjiä, joihin mahtuvat vierasatomit (kuten harva maaperän elementti, RE). Vierasatomit toimivat fononien sirpaleina, jotka vähentävät lämpöjohtavuutta, kun taas isäntäatomit tarjoavat korkean sähköisen johtavuuden ja Seebeckin kertoimen. Skutterudit ovat lupaavia termoelektrisiä materiaaleja keski- ja korkean lämpötilan sovelluksiin (300-800°C), kuten turhatehden voittamiseen tai konsentroidun aurinkoenergian voittamiseen.

• Half-Heusler-compoundit: Nämä ovat ternary compoundit, joiden yleinen kaava on XYZ, missä X on transitiometalli (kuten titanium, Ti), Y on toinen transitiometalli (kuten nikkel, Ni) ja Z on main group element (kuten tin, Sn).

           
   

• Half-Heusler-compounditillä on kuutiomainen rakenne, joka koostuu neljästä interpenetrating fcc sublatticeista, joista yksi on täytetty X-atomeilla ja muut kolme Y- ja Z-atomeilla 1:2 suhteessa. Half-Heusler-compounditillä on korkea Seebeckin kerroin ja sähköinen johtavuus monimutkaisen elektronisen bändirakenteen ansiosta ja matala lämpöjohtavuus raskaan komponenttien ansiosta. Half-Heusler-compoundit ovat lupaavia termoelektrisiä materiaaleja korkean lämpötilan sovelluksiin (yli 800°C), kuten ydinreaktorien tai avaruusalusten voittamiseen.

Mitä ovat termoelektristen generaattoreiden sovellukset?

Termoelektrisiä generaattoreita käytetään eri aloilla riippuen lämpötila-alueesta, tehovirtauksesta ja lämpölähde saatavuudesta. Joitakin esimerkkejä termoelektristen generaattoreiden sovelluksista ovat:

• Jäädytyslaitteet: Termoelektrisiä generaattoreita voidaan käyttää elektronisten komponenttien, kuten mikroprosessorien, laserien tai anturien jäädyttämiseen sovellettavan sähkövirran avulla luodakseen lämpötilaeron moduulin kuumalla ja kylmällä puolella. Tämä prosessi kutsutaan termoelektriseksi jäädytykseksi tai Peltier-efektiksi, joka on Seebeckin efektin käänteinen. Termoelektriset jäädytyslaitteet ovat edullisia verrattuna perinteisiin jäädytysmenetelmiin, kuten kompaktisuudella, luotettavuudella, äänettömyydellä ja tarkalla lämpötilan hallinnalla.

• Voiman tuotanto turhatehdestä: Termoelektrisiä generaattoreita voidaan käyttää eri lähteistä, kuten teollisista prosesseista, autoista, voimaloista ja jopa ihmisen kehon lämpöstä, syntyvän turhatehden keräämiseen ja muuntamiseen hyödylliseksi sähköksi. Tämä voi parantaa energiatehokkuutta ja vähentää näiden lähteiden kasvihuonekaasupäästöjä. Esimerkiksi termoelektrisiä generaattoreita voidaan integroida autojen purkugaskulutuksen järjestelmiin, jotta osa polttoaineen polttoon menetetystä lämpöä voidaan käyttää sähkövirran tuotannossa elektronisiin laitteisiin tai akun lataamiseen. Termoelektrisiä generaattoreita voidaan myös kiinnittää ihmisen ihoa tai vaatteita vasten, jotta sähkö